5.5. Измерение амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников

При контроле технического состояния электронных устройств важ­ное место занимает измерение частотных характеристик различных их узлов, а именно АЧХ.

В электронике широко используют линейные четырехполюсники, АЧХ которых определяется зависимостью модуля коэффициента пе­редачи от частоты сигнала.

К оэффициент передачи k в цепях с со­средоточенными постоянными представля­ет собой отношение комплексных ампли­туд выходного и входного гармонических напряжений одной частоты при условии отсутствия отражения на входе, как показано на схеме четырехполюсника (рис. 5.16):

(5.28)

Рис. 5.16. Схема четырехполюсника

Если U₂ < U₁ , то происходит ослабление сигнала при прохождении его через четырехполюсник (в этом случае — пассивный), а коэффици­ент передачи k < 1.

Если U₂ > U₁, то сигнал усиливается, четырехполюсник является активным, a k > 1.

Значения коэффициента передачи четырехполюсника и частоты сигнала, на которой проводится его измерение, образуют точку в си­стеме соответствующих координат, а совокупность таких же точек об­разуют АЧХ в рассматриваемом частотном диапазоне.

Измерения параметров АЧХ четырехполюсника выполняются од­ним из двух методов:

• снятием зависимости модуля коэффициента передачи от частоты по точкам с последующим интерполированием кривой АЧХ;

• получением панорамного изображения АЧХ с использованием ге­нератора качающейся частоты и индикатора.

На практике при исследовании четырехполюсников определяют чаще всего АЧХ (рис. 5.17), которая отражает его свойства в исследуе­мой полосе частот — полосе пропускания, в которой модуль коэффи­циента передачи не должен быть меньше 0,7 k_maх. Полоса пропускания линейного четырехполюсника ограничивается нижней f_н и верхнейf_в частотой, поэтому его ширина составляет

(5.29)

Рис. 5.17. АЧХ четырехполюсника

Метод снятия АЧХ по точкам реализуется с помощью диапазонно­го генератора синусоидального сигнала и вольтметра (рис. 5.18). Из­меняя частоту гармонических колебаний в исследуемой полосе частот, измеряют вольтметром напряжение на выходе проверяемого четырех­полюсника при постоянстве значения входного напряжения.

Рис. 5.18. Структурная схема соединения приборов при снятии АЧХ четырехполюсника по точкам

Модуль коэффициента передачи рассчитывается по формуле (5.28). По результатам измерений графически строят АЧХ. Рассмотренный метод имеет ряд недостатков:

• трудоемкость измерения, связанная со снятием АЧХ по точкам, количество которых прямо пропорционально требуемой точности измерения;

• влияние длительных измерений на характер кривой АЧХ, измене­ния температуры окружающей среды и питающего напряжения, которые искажают достоверную кривую (рис. 5.19,а);

• возможность пропуска резких изменений кривой в промежутках меж­ду точками (рис. 5.19,6) из-за дискретности воспроизведения АЧХ.

Рис. 5.19. Достоверная кривая АЧХ четырехполюсника (а) и кривая, снятая по точкам (б)

Метод получения панорамного изображения лежит в основе рабо­ты специальных панорамных приборов — характериографов (X1 по каталоговой классификации). Этот метод лишен недостатков, присущих методу снятия АЧХ по точкам, но имеет меньшую точность измерения из-за короткого времени измерения в каждой точке кривой АЧХ.

Структурная схема простейшего измерителя АЧХ (рис. 5.20) состо­ит из генератора качающейся частоты (ГКЧ), частота которого плавно изменяется по определенному закону в рассматриваемой полосе ча­стот, и индикатора, воспроизводящего кривую АЧХ. В качестве инди­катора обычно используется осциллограф.

Рис. 5.20. Структурная схема простейшего измерителя АЧХ

Сигнал с ГКЧ подается на вход исследуемого четырехполюсника. Поскольку модуль коэффициента передачи четырехполюсника зави­сит от частоты сигнала на входе, то на его выходе сигнал изменяется по амплитуде. Огибающая этого сигнала, выделяемая детектором, который входит в состав индикатора, управляет отклонением луча индикатора по вертикали, изображая кривую АЧХ. Одновременно блок модулирующего напряжения синхронизирует работу ГКЧ и ин­дикатора и управляет частотой ГКЧ и отклонением луча индикатора по горизонтали.

В рассмотренном измерителе АЧХ горизонтальное отклонение луча на экране индикатора соответствует частоте на входе исследуе­мого четырехполюсника, а вертикальное — значению модуля коэф­фициента передачи на этой частоте. В результате на экране автомати­чески воспроизводится кривая АЧХ исследуемого объекта.

Форма модулирующего напряжения в этом случае может быть любой, но чаше применяется пилообразное напряжение, обеспечивающее одинаковую яркость всех участков АЧХ. Важно, чтобы закон изменения частоты совпадал с законом отклонения луча индикатора по горизонтали — только при этом условии создается линейный ча­стотный масштаб.

Для обеспечения отсчета частоты формируется система частотных меток, которые получают в результате детектирования сигнала, прошедшего через резонансный частотомер, либо смешиванием сиг­налов ГКЧ и встроенного кварцевого генератора.

Измерение модуля коэффициента передачи основано на методе замещения. Для этого перед началом измерения прибор калибруется сигналом, подаваемым с ГКЧ непосредственно на индикатор, а име­ющийся на выходе ГКЧ аттенюатор устанавливается в положение максимального ослабления, условно принимаемого за нуль. После подключения четырехполюсника восстанавливают показания ин­дикатора, которые соответствовали его положению при калибровке, изменяя ослабление аттенюатора ГКЧ, определяют ослабление или усиление четырехполюсника. При заранее калиброванной шкале осциллографического индикатора также можно провести измерение АЧХ, не отключая четырехполюсник.

Для повышения качества измерений и расширения функциональных возможностей прибора в структурную схему панорамного изме­рителя АЧХ вводятся дополнительные узлы (рис. 5.21).

Центральным узлом измерителя АЧХ является ГКЧ, который в зависимости от предъявляемых к нему требований выполняется в двух

Рис. 5.21. Структурная схема панорамного измерителя АЧХ

вариантах. Для получения большой выходной мощности и малых не­линейных искажений колебания вырабатываются непосредственно задающим автогенератором качающейся частоты. Для обеспечения широкого диапазона частот без разделения его на поддиапазоны ис­пользуется принцип смешивания сигналов фиксированной и пере­страиваемой частоты.

В целях обеспечения постоянства значения выходного сигнала во всем диапазоне качания частоты предназначен блок автоматического регулирования амплитуды. Одновременно часть сигнала с ГКЧ посту­пает на блок частотных меток, который вырабатывает целый спектр калибровочных меток в границах рабочего диапазона ГКЧ. При совпа­дении частоты ГКЧ с любой из калибровочных частот образуются сиг­налы, подаваемые в индикатор. Эти сигналы наблюдаются на экране в виде амплитудных меток.

Для получения калиброванного изменения напряжения на выходе ГКЧ предназначен аттенюатор.

В измерителе АЧХ может использоваться детекторная головка одного или двух видов:

• высокоомные — для измерения сигнала с минимальным влиянием на четырехполюсник;

• согласованные детекторные — для измерения на выходе согласо­ванных трактов. Эти головки содержат детектор и нагрузочное со­противление;

• проходные детекторные - для измерения сигнала на выходе изме­рителя АЧХ или в согласованных трактах без нарушения их одно­родности.

При исследовании АЧХ высокоселективных устройств возникает потребность наблюдения одновременно на экране измерителя больших перепадов уровня сигнала. В таких случаях между детекторной головкой и индикатором включаются широкополосные логарифмиче­ские усилители.

В качестве индикатора чаще всего используется дисплей. В зави­симости от скорости качания частоты ГКЧ выбирают дисплеи с нор­мальным или длительным послесвечением, с электромагнитным или с электростатическим управлением луча.

На уменьшение погрешности измерения АЧХ и увеличение разре­шающей способности прибора оказывают влияние размеры рабочей части дисплея. Для получения двух или более кривых АЧХ используют многоканальный индикатор, что заметно расширяет функциональные возможности таких приборов, как характернографы. В отечественной каталоговой классификации они обозначаются X1.

В зависимости от ширины полосы качания характернографы под­разделяются на узкополосные, широкополосные и комбинирован­ные.

Узкополосные характериографы обеспечивают полосу качания, со­ставляющую доли и единицы процента центральной частоты; широ­кополосные имеют полосу качания, составляющую полный диапазон частот прибора; комбинированные объединяют в себе функции узкопо­лосных и широкополосных.

Характериографы классифицируются еще по нескольким парамет­рам:

• по допустимым значениям основных частотных и амплитудных параметров — на классы точности;

• числу одновременно исследуемых АЧХ — одно- и многоканальные;

• динамическому диапазону воспроизведения АЧХ — с линейным и

• логарифмическим масштабом по амплитуде.

Использование в составе характериографов встроенного микропро­цессора (рис. 5.22) позволяет повысить уровень их автоматизации.

Такие приборы способны выполнять следующие функции:

• замена жесткой логики на программную, в результате чего прибор со встроенным микропроцессором при прочих равных условиях имеет меньшие габаритные размеры и более высокую надеж­ность;

• обеспечение диалога оператора с прибором и представление изме­рительной информации в более удобном цифровом виде;

• обеспечение контроля правильности действия оператора и само­контроля прибора, что повышает производительность и снижает ошибки в работе оператора;

• организация интерфейса, что позволяет применять измеритель в составе больших автоматизированных измерительных систем;

• уменьшение погрешности измерений за счет учета при вычисле­нии результата измерения факторов, влияющих на точностные ха­рактеристики измерителя АЧХ.

Рис. 5.22. Структурная схема характериографа со встроенным микропроцессором

Микропроцессор выполняет функции управления характериографом и обработки измерительной информации и решает следующие за­дач и управления:

• установка поддиапозонов частот и перестройка частоты в полосе качания;

• запуск частотомера;

• установка коэффициента передачи управляемого усилителя;

• установка поддиапозона детектора;

• индикация результатов измерения и функционирования измери­теля.

На основе поступающей в микропроцессор информации об уровне выходного сигнала с аттенюатора, о частоте выходного сигнала с частотомера и уровне измеряемого сигнала с детектора производится расчет параметров АЧХ исследуемого четырехпо­люсника. Одновременно обеспечивается линеаризация частотно­го масштаба и осуществляется коррекция неравномерности собственно АЧХ, что снижает погрешность измерения. При работе на малых уровнях сигнала для уменьшения влияния шумов и помех предусмотрен режим многократной выборки и усреднения резуль­татов измерения.

Прибор управляется через устройство сопряжения с помощью клавиатуры на передней панели прибора по двенадцатиразрядной инфор­мационной шине, трехразрядной шине управления и трехразрядной адресной шине.